Quando as pessoas estão pensando em comprar um amplificador de áudio para carro, a especificação que elas verificam com mais frequência é a quantidade de energia que ele pode produzir. A potência é avaliada em watts – uma unidade universal de medida de potência. Neste artigo, explicamos o que é um watt e como ele é medido – da maneira correta e incorreta.
Hora do dicionário!
Vamos tirar a definição formal de um watt primeiro. Um watt é uma unidade SI (Systéme International) de medida de potência. A energia não precisa ser elétrica. Na verdade, a unidade de watt recebeu o nome de James Watt e foi criada para quantificar o trabalho que uma máquina a vapor poderia fazer. Nessa aplicação cinética, um watt era o trabalho realizado quando a velocidade de um objeto estava se movendo de forma constante a 1 metro por segundo com uma força de 1 newton se opondo a ela. Ao se referir a um motor elétrico, 1 cavalo de potência equivale a 746 watts.
Por mais divertido que seja falar sobre potência, somos entusiastas de áudio automotivo, então vamos voltar aos trilhos com uma explicação do watt elétrico.
Em termos elétricos, um watt é uma transferência de 1 joule de energia durante um período de 1 segundo. A próxima questão lógica é o que é um joule? Um joule é outra unidade de medida do SI e define a quantidade de trabalho necessária para mover uma carga de 1 coulomb através de um potencial elétrico de 1 volt. Sim, a questão agora se move para o coulomb – o que diabos é isso? Um coulomb é uma unidade de carga elétrica – e é igual a -6,242 x 10^18 elétrons.
Perdeu ainda? Não se preocupe; estamos apenas apaziguando os nerds de matemática e medição entre nós. Vamos dividir isso no que importa.
Quando queremos usar eletricidade para realizar trabalho, temos que fazer fluir elétrons através de um dispositivo como um filamento, motor ou bobina de voz. O resultado será, no caso de um alto-falante, que o campo magnético criado pelo fluxo de elétrons fará com que a bobina de voz seja atraída ou repelida do ímã fixo em nosso alto-falante. Quando fluímos mais elétrons, mais trabalho é feito e o alto-falante se move para mais perto ou para longe do ímã.
Matemática de energia
Aqui é onde começamos a falar sobre equações de potência. Existem três métodos comuns de calcular a potência em um circuito – mas precisamos conhecer os valores de outras variáveis, como tensão, resistência ou amperagem. Quaisquer duas dessas variáveis podem ser usadas para calcular a potência realizada em um circuito. Aqui estão as equações:
Se tivermos um circuito com uma resistência de 4 ohms e aplicarmos uma tensão nele com um potencial de 10 volts, então temos 25 watts de potência. Aumentar essa tensão para 20 volts significa que a potência disponível agora é de 100 watts. Podemos substituir e reorganizar as variáveis nas equações acima para descobrir qualquer outra variável – é álgebra simples.
Medição de potência
Quando um técnico tem um amplificador em uma bancada de teste e deseja medir a potência, o técnico normalmente conecta o amplificador a um banco de resistores de carga de alta potência e mede a saída do amplificador quando o sinal atinge um nível de distorção de 1%. . A medida tomada é a tensão. Na maioria das vezes, assumimos que a carga não é variável. Digamos que medimos 44 Volts RMS de um amplificador e temos o amplificador conectado a uma carga de 2 ohm. Isso funciona para 968 watts. É muito simples e muito repetível – mas não funciona no mundo real. Vejamos o porquê.
Resistência versus Reatância
Isso vai ficar um pouco técnico. Os sinais de áudio são sinais de corrente alternada (AC). Os sinais AC são necessários para fazer o cone do alto-falante se mover para frente e para trás a partir de sua posição de repouso, mas eles tornam a medição de potência muito mais complicada. A maneira como os condutores e as cargas reagem aos sinais CA é diferente dos sinais de corrente contínua (CC).
Como os sinais AC mudam de direção, a polaridade dos campos magnéticos que eles criam também muda de direção. Tentar mudar a polaridade dos campos magnéticos causa estragos no comportamento do fluxo de corrente. Uma vez que a corrente flui e cria um campo magnético, ela não gosta de parar. Imagine uma tensão DC – todos os elétrons estão se movendo na mesma direção o tempo todo. Eles estão felizes e não têm queixas. Quando se trata de sinais AC, porém, esse fluxo de elétrons precisa mudar de direção. Com um sinal de 20 kHz, a mudança de direção acontece 20.000 vezes por segundo. Os elétrons são preguiçosos – eles gostam de continuar fazendo o que estavam fazendo. Por causa disso, eles se opõem a uma mudança de direção.
Um indutor realmente nada mais é do que uma bobina de fio. Vemos indutores em redes de crossover passivas e os estágios de filtro de amplificadores Classe D. Quando os elétrons estão fluindo através de um indutor, eles criam um forte campo magnético. Quando você retira a fonte de tensão, os elétrons tentam continuar fluindo. Na verdade, se você viu um relé com um diodo conectado a ele, esse diodo está lá para dar a esse fluxo de elétrons um lugar para ir, além de voltar para o circuito que estava controlando a função do relé.
Quando aplicamos um sinal AC a um indutor, quanto maior a frequência, mais difícil é mudar a direção do indutor. fluxo de elétrons. A resistência ao fluxo de corrente alternada é chamada de reatância indutiva. Pense nisso como resistência, mas aplicável apenas a sinais AC. Os indutores se opõem a uma mudança no fluxo de corrente. Se desconectarmos nossa fonte de corrente alternada e medirmos a resistência CC de um indutor com um multímetro, o número que vemos na tela é a resistência. Para medir a reatância de um indutor, precisamos de um dispositivo que possa aplicar um sinal CA e medir a queda de tensão efetiva no indutor.
A fórmula para calcular a reatância indutiva é Xl =2 x pi x F x L, onde F é a frequência do sinal AC aplicado, L é o valor da indutância do indutor medido em henries e Xl é a reatância indutiva em ohms. Você pode ver que a indutância aumenta com a frequência, como mencionamos anteriormente.
A bobina de voz de um alto-falante é e atua como um indutor.
Corrente e Voltagem
Temos mais más notícias para você. Como um indutor se opõe à mudança no fluxo de corrente, surge um erro de temporização. Tempo de quê, você pergunta? O tempo relativo entre a tensão CA no indutor e o valor CA da corrente que flui no indutor. Em um indutor perfeito (um sem resistência CC), a corrente através do indutor está atrasada em relação à tensão através do indutor em 90 graus ou ¼ da frequência do sinal que está passando.
Deixe isso afundar por um segundo, depois pense em nossas equações de poder. Potência é tensão vezes corrente. Mas e se o pico de corrente não estiver acontecendo ao mesmo tempo que o pico de tensão? Não podemos simplesmente multiplicar os dois números para obter a potência no circuito. Pior ainda, a quantidade de tempo que a corrente fica atrás da tensão depende da resistência CC do indutor
e a reatância indutiva - para a maioria dos alto-falantes de áudio do carro, a resistência DC geralmente está entre 2 e 8 ohms. A indutância está entre 0,04 mH para um tweeter de alta qualidade a mais de 5 mH para um grande subwoofer.
Há mais um desafio:a indutância muda dependendo do nível de acionamento do alto-falante e da posição do cone do alto-falante.
Temos certeza de que você concorda – é tudo muito complicado, mas não desista ainda.
Como medimos a potência real em um circuito CA? Existem algumas maneiras. Podemos medir corrente e tensão instantâneas em uma taxa de amostragem muito alta e multiplicá-las. A taxa de amostragem teria que ser 20 ou 30 vezes a frequência que medimos para ser razoavelmente precisa. Também podemos usar medidores convencionais para medir a quantidade de corrente e tensão no circuito e, em seguida, usar um medidor de ângulo de fase para encontrar a relação relativa entre os dois. Praticamente nenhum de nós tem um medidor de ângulo de fase autônomo em nossas caixas de ferramentas. O que
não podemos fazer é apenas multiplicar tensão e corrente vezes um ao outro.
Aqueles caras SPL e Watts
Se você está lendo isso, provavelmente está navegando na Internet com alguma frequência. Sem dúvida, você já viu entusiastas de SPL tentarem medir a potência produzida por seus amplificadores “apertando-os”. Eles conectam um grampo de corrente a um dos fios do alto-falante que sai do amplificador e colocam um voltímetro nos terminais do amplificador.
Isso cria três problemas:
- Eles devem conectar o voltímetro aos terminais do alto-falante. Devido ao alto fluxo de corrente, a resistência no fio do alto-falante pode desperdiçar uma quantidade mensurável de energia.
- Com um voltímetro e um alicate de corrente, não sabemos a relação de fase entre a corrente que flui pelas bobinas de voz e a tensão na bobina de voz.
- Eles normalmente realizam esses testes em níveis de potência extremamente altos. As enormes quantidades de energia aquecem as bobinas de voz rapidamente. Este calor também aumenta sua resistência rapidamente. Este aumento na resistência fará com que a corrente que flui através do alto-falante diminua. Se o alicate de corrente conectado estiver no modo “peak hold”, ele armazenará uma leitura de pico da corrente inicial que flui através da bobina de voz. A redução no fluxo de corrente alivia a carga na fonte de alimentação do amplificador e permite que ele produza mais tensão. À medida que a corrente diminui, a tensão de saída do amplificador pode aumentar, dando uma leitura falsa ao voltímetro no modo de retenção de pico. Esse aumento de aquecimento e resistência pode acontecer em questão de segundos.
Se você achava que nossa definição de watt era complicada, explicar como calcular a potência em uma carga reativa o levaria ao limite, então não explicaremos tudo. Esse é um tópico guardado para cursos universitários sobre alimentação CA. O que
faremos fazer é fornecer uma solução para fazer medições de potência complicadas.
A realidade é que quando se trata de medir a potência de um amplificador conectado a um alto-falante, obter resultados precisos é muito difícil . Algumas empresas produzem medidores de potência de áudio para carros. A unidade mais popular é a D'Amore Engineering AMM-1. O AMM-1 é um medidor portátil que mede simultaneamente corrente e tensão e calcula o ângulo de fase entre eles para fornecer uma medição de potência precisa. O AMM-1 mostrará quanta potência do mundo real seu amplificador está produzindo. (Por favor, não chore se for menos do que você pensava.)
O AMM-1 também pode mostrar volt-amps. Volt-amps são calculados multiplicando a corrente pela tensão. Você também pode ver o ângulo de fase da carga em outra tela. Se você leva a sério a medição de potência quando um amplificador está conduzindo uma carga reativa como um alto-falante, então esta é a ferramenta que você precisa.
O que você precisa saber
Quando você está comprando um amplificador, os números que você normalmente vê citados são medidos em cargas resistivas. A maioria dos amplificadores não tem problemas com a condução de cargas reativas, então você pode confiar nos números publicados, desde que a especificação de distorção esteja claramente definida.
A especificação CEA-2006A (agora chamada CTA-2006A) para medição de potência define a distorção máxima do sinal durante a medição como sendo 1 %, e não mais que 14,4 volts podem fornecer o amplificador. Comparar as especificações de potência usando este padrão nivelou o campo de atuação na indústria de áudio automotivo.
Veremos algumas outras especificações de amplificadores muito importantes em outro artigo. Essas outras especificações podem, na verdade, ser mais importantes para escolher o amplificador certo para o seu sistema do que quanta potência o amplificador produz. Até lá, dirija-se ao seu revendedor local especializado em áudio para automóveis para saber mais sobre os amplificadores mais recentes disponíveis para o seu sistema. Existem alguns novos amplificadores incríveis no mercado com muitos recursos interessantes.
Boa escuta!
